NREL团队缓解钙钛矿光伏热循环疲劳,实现千次循环后仍保80%初始效率

更新时间:2024-05-13      点击次数:125

NREL团队缓解钙钛矿光伏热循环疲劳,实现千次循环后仍保80%初始效率


摘要

卤化物钙钛矿太阳能电池 (PSCs) 作为一种新兴光伏技术,在效率和规模化方面取得了显著进展,但其长期运行稳定性,尤其是在经历温度波动时,仍面临挑战。多层薄膜器件堆叠中存在的机械残余应力,由于各层材料热膨胀系数的差异,在温度变化过程中会导致器件性能衰减。美国国家可再生能源实验室 (NREL) Joseph M. Luther 博士团队在 ACS Energy Letters 上发表的研究成果,提出了一种通过应力工程来缓解钙钛矿光伏热循环疲劳的有效策略。研究人员通过在钙钛矿前驱体溶液中加入烷基铵添加剂,成功地将薄膜的残余应力和应变降至接近零,有效防止了器件在剧烈和快速热循环过程中的开裂和分层。研究结果表明,采用应力工程策略的正置 (n-i-p) 和倒置 (p-i-n) 非封装 PSCs 和微型组件,在 -40 85°C 温度范围内经历 2500 次热循环后,仍能保持 80% 以上的初始功率转换效率 (PCE),展现出优异的热循环稳定性。
 

-本研究相關參數圖表,整理至文末處-

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研究背景

钙钛矿太阳能电池近年来在效率方面取得了显著突破,但其长期稳定性,尤其是在经历温度波动时,仍面临挑战。PSCs 通常由多层薄膜材料堆叠而成,各层材料的热膨胀系数存在差异。在器件工作过程中,温度变化会引起各层材料的膨胀和收缩程度不同,从而产生机械应力。这种应力积累会导致薄膜开裂、分层,最终导致器件性能衰减。因此,缓解 PSCs 的热循环疲劳对于提升其长期稳定性至关重要。

研究方法

该研究采用了一种应力工程策略,通过在钙钛矿前驱体溶液中加入烷基铵添加剂,来调控薄膜的残余应力。研究人员利用 X 射线衍射 (XRD) sin2ψ 方法测量了不同添加剂浓度下钙钛矿薄膜的残余应力,并通过扫描电子显微镜 (SEM) 观察了薄膜的形貌。此外,他们还利用瞬态吸收 (TA) 光谱研究了器件的载流子动力学,并通过双悬臂梁 (DCB) 技术测量了钙钛矿薄膜与电子传输层之间的界面韧性。为了评估器件的热循环稳定性,研究人员进行了 ISOS-T-3 标准热循环测试 (–40 85°C6 小时/循环) 和加速热循环测试 (–40 85°C5 分钟/循环)

研究结果与讨论

研究结果表明,加入烷基铵添加剂可以有效降低钙钛矿薄膜的残余应力。未添加添加剂的薄膜在室温下表现出较大的拉伸应力,而添加剂的加入可以将应力降至接近零。SEM 图像显示,添加剂的加入可以改善薄膜的形貌,使其更加致密和平整。TA 光谱结果表明,添加剂可以钝化薄膜中的缺陷,延长载流子的寿命。DCB 测试结果显示,添加剂可以增强薄膜与电子传输层之间的界面韧性。热循环测试结果表明,采用应力工程策略的正置 (n-i-p) 和倒置 (p-i-n) 非封装 PSCs 和微型组件,在 –40 85°C 温度范围内经历 2500 次热循环后,仍能保持 80% 以上的初始 PCE,展现出优异的热循环稳定性。相比之下,未添加添加剂的器件在热循环过程中性能衰减更快。

结论与展望

该研究通过应力工程策略,成功地缓解了钙钛矿光伏的热循环疲劳,实现了 2500 次循环后仍维持 80% 以上初始效率的目标。研究结果表明,应力工程可以通过调控薄膜的残余应力、改善薄膜形貌、钝化缺陷、增强界面韧性等多种途径来提升 PSCs 的热循环稳定性。这项工作为开发高稳定性钙钛矿太阳能电池提供了新的思路,并为其商业化应用奠定了基础。
 
本文參數圖:


NREL团队缓解钙钛矿光伏热循环疲劳,实现千次循环后仍保80%初始效率

基于 OAI-1 n-i-p PSC 的外部量子效率 (EQE) 光谱
将此光谱与热循环后器件的 EQE 光谱进行比较,以评估 OAI-1 添加剂对热循环过程中器件光电转换性能的影响。如果添加剂能够有效缓解热循环疲劳,那么热循环后的 EQE 光谱应该与 Figure S3 中的光谱较为接近,以评估热循环对器件光电转换性能的影响。

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PSCs (20 个电池或组件) 的光伏性能参数 JscVoc、填充因子 (FF) PCE 的统计数据
展示了未添加和添加 OAI-1 PSCs 的光伏性能参数统计分布。研究人员可以将热循环后器件的光伏性能参数统计分布与 Figure S4 中的数据进行比较,以评估热循环对器件整体性能的影响,以及 OAI-1 添加剂对器件热循环稳定性的提升效果。如果添加剂能够有效缓解热循环疲劳,那么热循环后的参数分布应该与 Figure S4 中添加 OAI-1 的器件的参数分布较为接近。以评估热循环对器件整体性能的影响,以及 OAI-1 添加剂对器件热循环稳定性的提升效果。


原文出处: ACS Energy Letters_DOI: 10.1021/acsenergylett.4c00988



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